吳洪坤，付小娟，吳振遠(yuǎn)，郭艷影

（廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)電子與部件系，廣東廣州510403）

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基于RS485總線的BACnet MS/TP狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)

吳洪坤，付小娟，吳振遠(yuǎn)，郭艷影

（廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)電子與部件系，廣東廣州510403）

摘要：對主從/令牌傳遞協(xié)議（BACnet MS/TP）的工作流程和工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程由淺入深地進(jìn)行了描述。該協(xié)議屬于BACnet數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，運(yùn)行于RS485總線之上。通過對協(xié)議工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的深入分析，給出了MS/TP狀態(tài)機(jī)的實現(xiàn)方法。經(jīng)驗證表明，基于該狀態(tài)機(jī)采用C語言設(shè)計的軟件在總線設(shè)備數(shù)量為60個，RS485波特率為38.4 kbps的條件下，工作穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：BACnet；RS485；狀態(tài)機(jī)；主從/令牌傳遞

BACnet（A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Network）是一種樓宇自動化控制網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，最初是由美國冷暖空調(diào)工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)項目委員會為樓宇控制中的暖通控制項目制定的一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，頒布于1995年6月份。其目的就是使不同廠家生產(chǎn)的暖通空調(diào)設(shè)備之間能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的互操作，這樣在一個項目中就可以采購不同廠商的設(shè)備來組成一個完整的系統(tǒng)。BACnet標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)鏈路層上支持以太網(wǎng)、ARCnet、MS/TP、PTP、LonTalk和BACnet/IP。

本文將對基于RS485總線的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議MS/TP（Master Slave/Token Passing），即主從/令牌傳遞協(xié)議的工作流程進(jìn)行描述，并對其狀態(tài)機(jī)進(jìn)行設(shè)計。

1　BACnet MS/TP的工作流程

BACnet MS/TP建立在主從通訊的基礎(chǔ)上，任意時刻，在總線上只有一個節(jié)點(diǎn)擁有令牌，擁有令牌的節(jié)點(diǎn)才可以發(fā)起通信，這就是主設(shè)備，其他節(jié)點(diǎn)就為從設(shè)備。主節(jié)點(diǎn)的任務(wù)完成后，要主動將令牌傳遞給下一個站點(diǎn)。這種通信協(xié)議有一個非常好的機(jī)制，即插即用性。在令牌傳遞過程中，擁有令牌的站點(diǎn)會對本網(wǎng)段的空余站點(diǎn)進(jìn)行輪詢，如果得到正確應(yīng)答，說明有新的控制器申請加入令牌環(huán)，就把令牌傳遞給新的控制器，使其自動加入到令牌環(huán)中，也就是即插即用。

為了便于理解BACnet MS/TP的工作流程及工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換，本文將采用從簡單到復(fù)雜，逐級深入的方式進(jìn)行描述。

（1）設(shè)備上無令牌

單設(shè)備上電工作流程如圖1所示。

當(dāng)在總線上只有一個設(shè)備時，設(shè)備從上電開始將會作什么是最簡單的流程，設(shè)備上電后會先進(jìn)行各種初始化動作。設(shè)備完成初始化后進(jìn)入空閑狀態(tài)，即等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，由于此時總線上沒有其他設(shè)備，該設(shè)備不可能接收到任何數(shù)據(jù)，超時（時間可設(shè)定）后，該設(shè)備認(rèn)為總線上令牌已經(jīng)丟失，此時它會自動產(chǎn)生令牌。

（2）設(shè)備上有令牌

設(shè)備擁有令牌后，會執(zhí)行輪詢?nèi)蝿?wù)，從本設(shè)備MAC地址的下一個編號進(jìn)行輪詢，一直輪詢到本設(shè)備MAC地址的前一個地址，比如本設(shè)備MAC地址為10，那么它會從11輪詢到127（地址最大值），然后從0輪詢到9，但它不可能接收到應(yīng)答信息，于是它認(rèn)為在總線上只有一個主節(jié)點(diǎn)。因為它擁有令牌，所以如果此時它有數(shù)據(jù)包要發(fā)送，可以立即進(jìn)行發(fā)送。如果沒有數(shù)據(jù)，那么它會繼續(xù)履行主節(jié)點(diǎn)的職責(zé)，即輪詢其他設(shè)備，單設(shè)備上電后可更直觀地處理。

圖1　單設(shè)備上電工作流程

1.2雙設(shè)備工作流程

把那些小丫頭拖走去禍害!你們藏著是要留給誰呀?留著有人疼有人愛嗎?”她現(xiàn)在像個潑淋的村婦，一句話出口，好幾頭挨罵，但又不能確定她究竟罵誰，“藏著吧，藏到轉(zhuǎn)世投胎，投個好胎，也做女學(xué)生，讓命賤的來給你們狗日的墊背!”

下面來描述總線上有兩個設(shè)備時的工作流程。該流程相對復(fù)雜，但對于描述MS/TP工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換也會更完整。本文以MAC地址分別為1和10的兩個設(shè)備為例對協(xié)議工作流程進(jìn)行詳細(xì)描述，如圖2所示。

圖2　雙設(shè)備上電工作流程

假定設(shè)備1先上電，啟動過程同前述的單設(shè)備工作流程，此處不再贅述。雙設(shè)備工作過程如下。

（1）設(shè)備1在輪詢期間，設(shè)備10開始上電初始化，并進(jìn)入空閑狀態(tài)，因為此時總線上有數(shù)據(jù)在傳輸，所以設(shè)備10不用再產(chǎn)生新的令牌，它只需要等待設(shè)備1輪詢到自己。當(dāng)設(shè)備1輪詢到設(shè)備10時，設(shè)備10立即進(jìn)行應(yīng)答。設(shè)備1收到應(yīng)答后，會存儲設(shè)備10的地址，并將令牌傳遞給設(shè)備10。

（2）設(shè)備10得到令牌后，先使用令牌發(fā)起通信任務(wù)，比如向總線上發(fā)送一個上線通告。對于更復(fù)雜的情況，比如設(shè)備10向設(shè)備1發(fā)送一個讀取屬性值的請求，然后等待設(shè)備1回復(fù)請求的數(shù)據(jù)。當(dāng)收到設(shè)備1回應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)后，設(shè)備10發(fā)起的這一次的通信任務(wù)就完成了。

（3）設(shè)備10發(fā)起的全部通信任務(wù)完成后，開始履行主節(jié)點(diǎn)的職責(zé)，即輪詢其他設(shè)備。此時總線上只有兩個設(shè)備，當(dāng)輪詢到設(shè)備1時，才能收到應(yīng)答，然后將令牌傳給設(shè)備1，如此循環(huán)往復(fù)。

如果一切正常，令牌會一圈又一圈輪流傳遞。如果得到令牌的設(shè)備1發(fā)生故障了，這時總線上一片寂靜，設(shè)備10會計算著寂靜時間，一旦寂靜時間超過了BACnet的規(guī)定時間，便會產(chǎn)生令牌，又開始輪詢過程。

2　狀態(tài)機(jī)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1狀態(tài)定義及狀態(tài)間轉(zhuǎn)移流程

從雙設(shè)備的工作流程可以看出，MS/TP協(xié)議在工作中有以下9種工作狀態(tài)：1）初始化狀態(tài)；2）空閑狀態(tài)；3）丟失令牌狀態(tài)；4）輪詢狀態(tài)；5）令牌就緒狀態(tài)；6）使用令牌狀態(tài)；7）傳遞令牌狀態(tài)；8）等待回復(fù)數(shù)據(jù)狀態(tài)；9）回復(fù)數(shù)據(jù)狀態(tài)。

為了更直觀的描述各種狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系，下面開始狀態(tài)機(jī)的設(shè)計，工作狀態(tài)確定以后，最重要的就是確定各狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的條件。

（1）初始化狀態(tài)。初始化工作完成后，只能進(jìn)入空閑狀態(tài)。

（2）空閑狀態(tài)。設(shè)備在空閑狀態(tài)時，主要是監(jiān)聽總線上有無數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收數(shù)據(jù)的情況進(jìn)行相應(yīng)的處理或者進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

狀態(tài)轉(zhuǎn)換主要包括以下7方面的內(nèi)容：1）收到不完整幀直接丟棄，保持在空閑狀態(tài)；2）收到不是發(fā)給自己幀，丟棄，保持空閑狀態(tài)；3）收到主節(jié)點(diǎn)的輪詢幀，應(yīng)答，保持在空閑狀態(tài)；4）收到不需要應(yīng)答的數(shù)據(jù)幀，保存數(shù)據(jù)，保持在空閑狀態(tài)；5）收到需要應(yīng)答的數(shù)據(jù)幀，轉(zhuǎn)移到回復(fù)數(shù)據(jù)狀態(tài)；6）超過500 ms，總線上無數(shù)據(jù)，進(jìn)入丟失令牌狀態(tài)；7）收到令牌，進(jìn)入使用令牌狀態(tài)。

（3）丟失令牌狀態(tài)。在該狀態(tài)下，設(shè)備產(chǎn)生令牌，此時，本設(shè)備就變?yōu)橹鞴?jié)點(diǎn)，進(jìn)入主節(jié)點(diǎn)輪詢狀態(tài)。

（4）輪詢狀態(tài)。在該狀態(tài)下，有5種狀態(tài)轉(zhuǎn)換可能：1）收到意外幀，進(jìn)入空閑狀態(tài)；2）收到輪詢應(yīng)答幀，進(jìn)入傳遞令牌狀態(tài)；3）沒有收到輪詢回應(yīng)，輪詢一遍，認(rèn)為總線上只有自己一個主節(jié)點(diǎn)，設(shè)單獨(dú)主節(jié)點(diǎn)標(biāo)志位，進(jìn)入使用令牌狀態(tài)；4）沒有收到輪詢回應(yīng)，已知自己為單獨(dú)主節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入使用令牌狀態(tài)；5）沒有收到輪詢回應(yīng)，已知有其他主節(jié)點(diǎn)存在，進(jìn)入傳遞令牌狀態(tài)。

（5）令牌就緒狀態(tài)。在該狀態(tài)下，有4種狀態(tài)轉(zhuǎn)換可能：1）如果本節(jié)點(diǎn)發(fā)送的最大幀數(shù)還沒到，進(jìn)入使用令牌狀態(tài)，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀；2）如果自己不是單獨(dú)主節(jié)點(diǎn)，并且自己也不知道下一個節(jié)點(diǎn)的地址，發(fā)送輪詢命令，進(jìn)入輪詢狀態(tài)；3）如果下一個輪詢節(jié)點(diǎn)就是自己保存的下一個主節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入傳遞令牌狀態(tài)；4）除了上述3種情況外，還發(fā)送輪詢命令，進(jìn)入輪詢狀態(tài)。

（6）使用令牌狀態(tài)。主節(jié)點(diǎn)使用令牌來發(fā)送數(shù)據(jù)幀，主要分成下面3種情況：1）沒有待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)入令牌就緒狀態(tài)；2）發(fā)送不需要回復(fù)的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)入令牌就緒狀態(tài)；3）發(fā)送需要回復(fù)的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)入等待回復(fù)數(shù)據(jù)狀態(tài)。

（7）傳遞令牌狀態(tài)。在該狀態(tài)下，主要完成令牌傳出確認(rèn)工作：1）如果看到有其他節(jié)點(diǎn)在使用令牌傳遞數(shù)據(jù)，確認(rèn)令牌已經(jīng)傳遞出去，進(jìn)入空閑狀態(tài)；2）如果總線上在限定時間內(nèi)沒有看到有數(shù)據(jù)幀發(fā)送，認(rèn)為令牌沒有傳遞出去，則重新傳遞令牌，重發(fā)次數(shù)有限定；3）如果重發(fā)次數(shù)超過限定值，依然沒有傳遞出去，則輪詢新的主節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入輪詢狀態(tài)。

（8）等待回復(fù)數(shù)據(jù)狀態(tài)。在該狀態(tài)下，本節(jié)點(diǎn)主要是等待應(yīng)答，如果等待應(yīng)答超時、收到應(yīng)答錯誤幀、收到正確應(yīng)答，則進(jìn)入令牌就緒狀態(tài)；如果收到意外幀，認(rèn)為有其他節(jié)點(diǎn)在使用令牌，則進(jìn)入空閑狀態(tài)。

（9）回復(fù)數(shù)據(jù)狀態(tài)。本狀態(tài)處理相對簡單，只需回復(fù)收到的數(shù)據(jù)請求，回復(fù)完畢，進(jìn)入空閑狀態(tài)。

通過對上述各種狀態(tài)下工作流程以及狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的描述，可以設(shè)計出MS/TP的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，如圖3所示。

圖3　MS/TP狀態(tài)轉(zhuǎn)換

2.2軟件實現(xiàn)方法

上述狀態(tài)機(jī)采用C語言來實現(xiàn)，首先定義主節(jié)點(diǎn)的9種工作狀態(tài)，如表1所示。然后定義主節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)變量char Master_State，函數(shù)主體采用switch結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，便于各種狀態(tài)任務(wù)的處理及狀態(tài)間轉(zhuǎn)移。

表1　工作狀態(tài)常量定義

3　小結(jié)

通過C語言實現(xiàn)上述狀態(tài)機(jī)，并添加部分Bacnet標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如I-AM，WHO-IS及部分讀寫屬性等數(shù)據(jù)幀，程序編譯完成后，下載到控制器MCU內(nèi)部自帶FLASH中，MCU為ATMEL公司的AT91SAM7S256芯片，并將60個控制器連接在總線上，波特率設(shè)為38.4 kbps，通過監(jiān)控軟件在總線上對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)通信過程流暢，穩(wěn)定，說明本文設(shè)計的狀態(tài)機(jī)能夠穩(wěn)定工作，可靠運(yùn)行，具有實用價值。

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【責(zé)任編輯：任小平renxp90@163.com】

Design of BACnet MS/TP state machine based on RS485 bus

WU Hong-kun，F(xiàn)U Xiao-juan，WU Zhen-yuan，GUO Yan-ying
（Department of Aircraft Electronics and Components，Guangzhou Civil Aviation College，Guangzhou 510403，China）

Abstract∶The work process and work state transition of the master-slave / token passing protocol（BACnet MS/TP）were described developmentally in this paper. This protocol belongs to the BACnet data link layer protocol，and runs on the RS485 bus. The realization method of MS/TP state machine was worked out through analyzing the work state transition of the protocol. After verification，a conclusion was obtained∶the state machine designed using C language had a stable work performance under the condition of 60 bus devices and 38.4 kbps.

Key words∶BACnet；RS485；State machine；MS/TP

中圖分類號：TU855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-0171（2016）03-0065-05

收稿日期：2015-05-21

基金項目：廣東省高等職業(yè)教育教學(xué)改革資助項目（20130301051）

作者簡介：吳洪坤（1980-），男，河南泌陽人，廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。